地面排障机器人.docx
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地面排障机器人.docx
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地面排障机器人
附件1
江苏科技大学本科生创新计划
作品申报书
作品名称:
地面排障机器人_
学院名称:
机械工程学院_
主持人姓名及学号:
_
主持人联系方式:
_
类别:
□自然科学类学术论文
□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文
√科技发明制作
□其他
C.申报项目情况(科技发明制作)
项目名称
地面排障机器人
前三届申报项目名称
全向移动搬运机器人小车的设计与实现,2015,一般项目
项目设计、发明的目的和基本思路,创新点,关键技术和主要技术指标:
从世界范围来看,工业4.0概念引领了全世界制造业的发展方向,其强调的工业化和智能化融合发展道路,而“中国制造2025”的十大领域中强调重点发展新一代信息技术、高档数控机床和机器人。
经过几十年的发展,如今机器人发展的特点可概括为:
横向上,应用面越来越宽,由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用;像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷、探索,还有空间机器人、潜海机器人。
纵向上,机器人的种类会越来越多,像进入人体的微型机器人,已成为一个新方向,可以小到像一个米粒般大小;机器人智能化得到加强,机器人会更加聪明。
因此,智能化、信息化是机器人发展的一大方向。
一、研究目的
探索机器人作为机器人技术的一个研究领域,能够代替人类在一些特定区域完成作业。
既可以按照设定好的路线自主行走以采集周边信息,还可以利用WIFI遥控小车并结合摄像头的运用按照人工要求在特定方位采集所需的信息,另外在本项目中的小车集成了机械臂模拟人类手部的部分动作,既可以实现运输功能更能在某些区域采取实体信息以便研究所用,极大的拓展了其功能性,因此在学术研究、安防领域均有着广阔的应用前景。
如图1所示的我国自主研发的水下机器人北极“ARV”以及图2所示 武汉中仪物联技术股份有限公司研发的管道机器人。
图1北极“ARV”图2X5-S型管道机器人
本项目源于现实需要,由于其小体积以及全向性,尤其适合在一些狭小空间以及特殊场景的应用,如在一些危险场地的探测或者特殊路面的排查等。
本项目的机器人小车是基于2015年本创研究成果(如图3)所开发设计的一种全向探索型机器人小车。
通过车身上搭载摄像头完成对周围环境的实时监测,并用无线WIFI传输上传到服务器上,供监测人员了解工作的环境,并结合地盘上的机械臂通过其装卸功能即可实现对于作业场地一些实体的信息采集也可以在一些狭小空间做到物质的远程运输,从而集成了运输与探索于一体的功能。
另外可通过在车身上增加各类传感器拓展其外围功能,如循迹、避障以及遥控等功能。
图3全向移动机器人小车
该全向探索型机器人小车是在2015年本创的基础上完成的,所以在功能,结构,系统等上面都有所优化,稳定性、效率等也都得到了提高;最重要是由于增加了摄像头模块,并且结合WIFI传输图像给PC或手机端,极大了拓展了小车的运动范围。
而与同类小车相比,藉由无线方式使得小车不在拘泥于使用有线传输时线长度的限制,而且Mecanum轮的应用使得该全向探索型机器人小车在方位变换上更简便,即使在狭小的空间也能做到灵活作业。
二、基本思路
本项目的开发设计主要目的是在前人的研究基础上,以全向小车为载体,拓展Mecanum轮以及摄像头在工业、安防、生活等领域的实际应用。
在之前已依据国内外的研究成果在小车的机械结构和控制系统设计方面取得了一些成果。
如在机械方面,完成Mecanum轮的三维建模以及与小车装配来,并对其结构进行了分析等等,在控制方面,设计了基于STM32单片机的小车控制器并编写了常规PID控制算法等等。
本项目拟在前述研究进展的基础上,借鉴国内外的研究,进一步完善原有的成果,对全向移动小车进行功能的拓展和性能的提高,如电机驱动、感应避障、稳定性等进行提升和改造;另外车身上引入摄像头结合机械臂,通过车身上摄像头完成对周围环境的实时监测,并结合地盘上的机械臂通过其装卸功能即可实现对于作业场地一些实体的信息采集也可以在一些狭小空间做到物质的远程运输,从而集成了运输与探索于一体的功能;另外可通过在车身上增加各类传感器拓展其外围功能,如循迹、避障以及遥控等功能,是机器人小车更加的智能化。
1)信息采集研究思路:
机器人小车通过自带的摄像头,对周围环境的实时的监控和图像采集,并设置图像的格式、分辨率、自动补光、稳定性等,保证拍摄到清晰的图像。
2)无线通信研究思路:
本项目需要利用无线模块将摄像头采集到的图像数据无线传输给服务器显示,所以需要理解客户端与服务器间的通信协议,尽可能的降低数据传输中的丢包率;并且需要不断的调节摄像头的位置以便更好地获取图像信息。
3)控制系统研究思路:
本项目核心控制功能是摄像头对图像数据的采集、并通过无线通讯上传到PC,以及四个电机控制和机械臂的位姿控制,需要对控制系统进行完善如有必要甚至重新规划,对小车的整体运动学模型分析确定基本符合要求的方案,并通过MATLAB和ADAMS的联合仿真进行控制算法的编写和调试,最后搭建实验样机验证控制算法和小车整体的合理性。
三、创新点
1)信息的采集+无线WIFI传输+上位机的显示:
通过摄像头对周围环境的信息采集,并无线传输给终端,可以在PC机上显示,做到对作业环境的实时了解,与串口通讯、蓝牙通讯相比,在传输的距离、速度、可靠性、灵活性上有了很大的提高。
2)具有自主知识产权的双MCU控制系统的设计:
本次设计的控制系统使用STM32单片机,用两块单片机分别对小车底盘和机械臂的控制,两块单片机之间通过串口通信。
机器人小车可以自由实现移动,图像的采集和传输、机械手对物体装卸、夹持和移位等功能;另外通过红外传感器在检测到障碍物机器人会自动减速避障,即实现机器人小车的行走+图像采集+机械手的工位+避障功能。
该控制系统的软、硬件设计全部自主完成,即具有完全的自主知识产权。
四、关键技术
1)图像的采集与传输:
图像采集质量的好坏,直接影响着着传输给PC或手机端的效果,是以采集过程中要提高图像清晰度、防止光线的等外界的干扰,得到清晰稳定的图像。
WIFI传输则要确保数据丢包率低,以保证显示的图片不失真。
2)机械结构优化:
应用虚拟样机设计技术,通过三维建模与装配,改进可能出现干涉或不合理结构部分,并将三维实体模型导入ADAMS进行虚拟样机的运动学、动力学仿真,以期进一步优化机械结构。
3)控制系统的设计与改进:
本设计基于上届小车的双MCU控制系统,分别完成四路电机同步控制和多自由度机械手的控制,同时对摄像头数据采集、无线WIFI通讯、避障等控制。
五、主要技术指标
1)该机器人小车能在狭小作业空间内实现灵活移动,可完成前后移动、横向侧移和原地旋转等基本运动及其复杂的任意组合运动形式,同时机械手完成物品的夹持、装卸和移位。
2)该机器人通过摄像头可以对周围环境实时的监控和采集,该摄像头模块型号是Roboteyes,分辨率为720p、输出的格式MJGEP、内置麦克风且为USB接口,WIFI模块和PC通用。
3)无线WIFI模块,将采集到到信息实时传输给远程PC机上,该模块型号是Robot-LinkV5.0MT采用双天线传输速度可达到300mbps,驱动摄像头默认30fps;室外传输的距离可达30米,室内20米,保证传输视频的清晰度和流畅度。
4)小车自重不超过20KG,最高直线速度20cm/s,控制精度小于±5%,距障碍物15cm时停车并转向。
项目的科学性、先进性(说明比现有技术的进步、特点,并提供分析说明和参考资料):
本机器人小车拥有全方位运动功能,即运动系统具有平面内的三个自由度,可独立地在前后、左右和原地旋转三个方向上自由运动,在不改变自身位姿的情况下实现向任意方向进行移动的运动特性。
全方位运动机构克服了传统机构无法横向侧移和原地旋转的缺陷,运动灵活多变,在诸多应用场合中具有明显突出优势,具有广阔的工程应用前景。
同时小车还自带摄像头模块、无线传输模块;因此当小车在复杂的工作环境中可以根据自己灵活的运动特性,方便的采集到周围复杂的环境,并通过无线传输的方式上传到上位机如PC上,供检测人员了解相应的环境状况。
目前,机器人小车导航的方案主要有:
1)非视觉传感器导航:
非视觉传感器,如超声传感器、红外传感器、接触传感器等,利用这些传感器可以实现机器人导航。
例如将激光测距传感器安装在机器人顶端的云台上,利用旋转机构使其水平、竖直旋转以来获得机器人四周360°范围内的环境信息,建立相应的地图。
2)视觉导航:
在视觉导航系统中,目前国内外最大的是采用在移动机器人上安装车载摄像机的基于局部视觉的导航方式,这种导航方式利用装配的摄像机拍摄周围环境的局部图像,然后通过图像处理技术,如特征识别、距离估计等,进行机器人定位及规划下一步的动作。
3)组合导航:
视觉传感器以面为单位进行获取信息,非视觉传感器主要以点或线来获取信息,两者互为补充。
在组合导航中,机器人普遍采用先搜集环境信息后进行路径规划,而且路径规划与实时避障相结合的方式进行。
全向探索型机器人沿用上届的机械结构,即运动灵活的四轮Mecanum全向移动底盘、多自由度机械手,同时,结合本次的项目设计要求在机器人小车上加摄像头模块、无线传输模块、红外避障模块,尤其适合在狭小空间内进行环境监测、运输作业。
整车控制器将使用两块高性能STM32单片机为核心控制器,分别实现小车底盘四轮驱动协同控制、多自由度机械手、摄像头图像的采集、无线传输的控制。
参考资料:
[1]毛红玉,基于ARM和WIFI的大麦田图像采集和无线传输系统设计[D],甘肃农业大学,2013-06-01.
[2]薛子博,基于WIFI的触发式无线图像采集系统的研究与设计[D],吉林大学,2011-04-01.
[3]李捷,基于STM32的无线视频监控智能小车设计[D],兰州理工大学,2014-04-21.
[4]张剑龙,王耀青,杨柳,基于3G和WIFI视频监控系统的设计[J],电视技术,2015,14(8):
15-35
[5]曹其新,张蕾,轮式自主移动机器人[M],上海交通大学出版社,2012.
[6]于小翔,刘伟,基于单片机智能化小车应用分析[J],电子制作,2013,30(8).
[7]张华,杨卫,岳元,徐薇,基于红外传感器探测距离影响因素的研究[J],红外和毫米波学报,2010,20(12)3-20.
项目可展示的形式
√实物、产品□模型□图纸□磁盘√现场演示
√图片、录象√样品
项目的技术特点、优势、适应范围及推广前景:
一、技术特点
全向探索型机器人拥有摄像头模块作为图像信息的采集,并通过无线传输给终端,可以在狭小运动空间内、危险的场所对周围环境信息的采集、传输和运输等作业。
二、技术优势
1)传统的轮式或履带式运输机器人相比,全向移动运输机器人小车底盘机械结构使用了Mecanum全向移动技术,可大大提高车体的运动灵活性,特别在狭小作业空间具有明显的优势。
2)将摄像头模块安装在小车上,可以对周围环境信息的采集,特别是在危险或者狭小的空间等人不方便进入的场所作业,该摄像头模块分辨率较高,可以采集到清晰的图像信息。
3)本项目通过无线WIFI传输模块,室内的传输距离为20m,室外可达到30m,传输的速度300mbps,与传统的串口、蓝牙传输相比,可以高效的、实时的进行图像信息的传输。
三、适应范围
使用与在一些复杂、危险的的未知环境下等人为难以进入的环境中,让小车进行环境的监测,并将采集到的图像信息传输给上位机,供操作人员了解、控制相应的环境。
四、推广前景
1)在企业应用领域,全向探索型机器人可以对工厂工作环境的监测,通过循迹或者导航功能自主的完成作业,并且拥有避障功能。
从而大大提高了工作效率,有利于提高生产的自动化和智能化。
2)在生活领域,将全方位移动机构应用于轮椅上,使轮椅具有全方位移动的能力,能更好的适应室内空间狭窄的特点,提高行动不便人士的行动能力,帮助他们融入社会。
3)在安防安保领域,机器人拥有摄像头模块,可以代替人在居民小区、商业区周围进行巡逻,将采集到的周围环境信息实时的传输给检测者,有利于人的自身和财产安全。
总之,本项目实现避障小车+摄像头模块+无线WIFI传输模块+PC机显示,使机器人更加智能化,在生活生产中具有广泛的应用前景。
D.项目研究实施计划
起始时间
2015年2月
完成时间
2015年11月
完成本项目已经具备的基本条件、拟采取的研究方法及主要措施:
一、已经具备的基本条件
1)大量文献,网络资源可供参考。
2)团队合作,集思广益,各成员具有较扎实的理论知识和较强的实践动手能力,研究兴趣浓厚。
3)项目组成员对于项目所应用的部分软件上已具有一定的学习基础,同时对于所应用的机械、机电的理论知识也有所掌握。
4)各成员已收集、消化、整理部分上届资料,现阶段侧重STM32控制系统,摄像头模块的应用以及无线通信部分的深入了解应用。
5)导师可全过程给予指导,且可以充分利用其他现有资源的支持,如在读研究生、实验器材等,更具效率和凝聚力
二、拟采取的研究方法及主要措施
1、研究方法
1)前期:
主要着重结合文献和书本对于摄像头和无线通信部分知识的消化吸收应用,以及对于小车整体布局的初步构造调整,控制部分则是对线路板的设计调整,程序的设计编程。
2)后期:
装配出整个装置,着重进行试验分析,通过对机械、硬件、软件等部分的功能验证,发现其中存在的问题并共同分析问题继而集思广益解决问题,确保装置能实现预期目标。
首先通过理论学习使自身对于项目欠缺的部分得到提高,然后就是逐步进行项目的开展,机械部分主要对机械结构进行优化,以便更好的实现功能;无线通信部分则是实现客户端到服务器间的数据传输;控制器硬件部分经过不断的对比确定选型,软件部分使用AltiumDesigner和MDK5分布进行设计和编程;最后的调试则是对小车功能的论证以及系统的优化,使整体性能得到进一步完善。
研究阶段及内容:
项目实施周期:
2016年2月-11月
2-4月查阅项目有关的文献并消化吸收,确定方案;
5-6月控制系统的硬件和软件设计;
7月学习先进的控制算法,并基于Matlab进行仿真研究;
8-10月进行调试完善,进一步优化;
11月整理相关资料,撰写论文、研究报告、结题验收。
预期研究成果:
1)研究报告1份
2)样机1套
3)相关技术文档(如机械图纸、硬件电路、软件代码)1套
4)发表论文1篇
5)申报发明专利1项
项目组信息
姓名
学号
联系方式
分工
项目经费概算
开支类别
金额
预算依据
申请经
费总额
图像采集模块
1000
摄像头模块、红外避障循迹模块、无线WIFI传输模块
5000
机械结构的改进
800
直流电机、舵机、外壳加工、各种工具
控制器
900
电子元器件耗材、PCB打样
论文版面费
1000
核心期刊论文1篇
资料费
700
购买专业书籍、开发板、复印、打印费
差旅费
600
周边城市出差交通费
说明
小车底盘+机械手的机械结构、控制系统的硬件设计拟完成两个版本,第一版本为基本功能的实现,第二版本为最终定型版本(需针对第一版本的细节问题进行完善和改进)
E.导师、学院推荐意见
导师推荐意见
该项目来源于工程实际需求,以全向移动运输机器人小车的设计与实现为研究对象,使得机器人小车可在狭小作业空间内灵活、高效地实现物体的夹持、装卸和移位。
选题与机械类专业人才培养目标结合紧密,技术含量高、综合性强、创新性强,应用前景广阔。
项目组成员构成合理、研究兴趣浓厚、综合实践能力较强、富有团队协作精神。
强烈推荐该项目申报2015年校级本科生创新计划(重点项目)。
签名
年月日
学院审定
学院、负责人签章:
年月日
F.校专家指导委员会评审意见及组织单位签章
建议资助金额
评价项目的技术水平、科学性、先进性、推广前景及可行性
签名:
年月日
组织单位签章
签章:
年月日
申报说明:
1.申报信息应完整、并归入相应类别,申报人及指导老师原则上本年度只能申报1项;
2.与前三届相近申报项目,应明示与前申报的区别,并报前三次申报项目的信息:
项目名称:
参赛、获奖、
论文等;
3.本申报书全文报送1份;(A、B、C任取其1)+D共同装订另报送3份,其中不应含指导老师信息;
4.申报书应如实填写,既注意保护自己的知识产权,亦要杜绝项目申报前、预期结果中对他人的侵权和剽窃。
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